光谱相机的光谱信息获取

news2025/3/31 22:14:43

光谱信息的获取方式主要依赖于不同分光技术和成像方法,将入射光分解为不同波长并记录其强度。以下是常见的光谱信息获取技术分类及原理:

1. 分光技术(物理分解波长)

(1) 滤光片法

原理‌:使用固定或可调滤光片选择特定波段的光通过,逐次成像。

固定滤光片轮‌:通过机械旋转不同波段的滤光片(如多光谱相机)。

液晶可调滤光片(LCTF)‌:电控调节透过波长(无需机械运动)。

声光可调滤光片(AOTF)‌:利用声波衍射选择特定波长。

特点‌:成本低、速度慢(需多次曝光),适合静态场景。

(2) 色散分光法

原理‌:利用棱镜或光栅将入射光色散为连续光谱,通过线阵或面阵传感器捕获。

棱镜分光‌:适用于宽光谱范围,但色散非线性。

光栅分光‌:色散均匀,分辨率高(如高光谱成像仪)。

成像方式‌:

推扫式(Push-broom)‌:逐行扫描目标,适用于卫星或无人机遥感。

摆扫式(Whisk-broom)‌:通过旋转镜扫描整个场景。

(3) 干涉分光法

原理‌:基于光的干涉效应,通过测量干涉图间接计算光谱。

傅里叶变换光谱(FTS)‌:通过扫描干涉仪光程差获取干涉图,再傅里叶变换得到光谱。

快照式干涉成像‌:单次曝光获取全光谱信息。

特点‌:高光通量、高信噪比,适合红外光谱或微弱信号检测。

2. 计算成像法(硬件+算法结合)

(1) 压缩感知光谱成像

原理‌:通过编码孔径或空间光调制器(SLM)对光场进行编码,结合稀疏重建算法恢复光谱立方体。

特点‌:减少数据量,适合快照式成像(如单次曝光获取多光谱)。

(2) 深度学习增强

原理‌:从RGB图像中预测光谱信息(如基于神经网络的光谱重建)。

特点‌:依赖训练数据,无法完全替代物理分光,但可辅助低分辨率设备。

3. 传感器技术

(1) 多波段传感器阵列

原理‌:直接在传感器表面集成滤光片。

超像素结构‌:每个像素点覆盖不同波段滤光片(如消费级多光谱相机)。

(2) 量子点光谱仪

原理‌:利用量子点材料对不同波长的响应差异,通过算法反推光谱。

特点‌:体积小、成本低,适合便携设备(如手机集成)。

4. 主动照明与被动接收

(1) 被动式

原理‌:依赖自然光或环境光(如遥感卫星、普通光谱相机)。

适用场景‌:户外环境监测、天文观测。

(2) 主动式

原理‌:使用可控光源(如激光、LED)主动照射目标,分析反射或荧光光谱。

拉曼光谱‌:激光激发分子振动,检测散射光频移。

荧光成像‌:特定波长激发目标物质发光。

适用场景‌:实验室检测、生物医学成像。

5. 特殊应用技术

(1) 时间分辨光谱

原理‌:通过超快激光脉冲和探测器,记录光强随时间的变化(如荧光寿命成像)。

应用‌:化学反应动力学、生物分子相互作用。

(2) 空间外差光谱(SHS)

原理‌:结合光栅和干涉仪,通过空间频率分析光谱。

特点‌:高分辨率,适合大气成分监测。

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